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天宮空間站距地面390公裡,神舟十三号傳回卻要8小時,比高鐵還慢?

作者:老粥科普

天宮空間站大多在距離地面約390公裡的高度飛行,一方面這裡非常接近真空環境,友善開展各種空間科學實驗;這個高度又處在地球磁場保護範圍之内,能最大限度地減少宇宙射線對航天員的傷害;另一個重要因素就是可以用最小的成本運送物資,用更少的時間進行更快速的天地間往返。

天宮空間站距地面390公裡,神舟十三号傳回卻要8小時,比高鐵還慢?

國際空間站距離地面僅400公裡

說到快,空間站繞地球飛行的速度為7.68公裡/秒,換算每小時達到27648公裡,比“複興号”高鐵列車快78倍!載人飛船與空間站一起飛行,它的速度與空間站相同,但是航天員要想從390公裡高的空間站傳回地面卻常常要花上一天多時間。

美國“龍”飛船執行的兩次空間站傳回任務中,“龍-1”花了30小時21分鐘,“龍-2”耗時19小時13分鐘。中國神舟十二号2021年9月從脫離天宮空間站到傳回地面總共花了約28小時(當然在此期間我們還做了其它驗證明驗),神舟十三号驗證“快速傳回”技術也需要約8.3小時!有朋友問:總共不到400公裡距離,坐高鐵1個多小時就到了,為什麼飛船快速傳回還要這麼久,神舟飛船還能更快些嗎?

天宮空間站距地面390公裡,神舟十三号傳回卻要8小時,比高鐵還慢?

神舟十二号安全傳回東風着陸場

神舟十三号飛船在脫離天宮空間站之後,需要繞着地球飛行差不多5圈才會傳回到地面,總共飛行距離約20萬公裡。以後的神舟飛船當然還可以更快,但并不能像許多朋友想象的那樣:從空間站分離之後“嗖”地一下就飛回地面。

目前執行載人天地往返任務最多的飛船就是俄羅斯的“聯盟号”載人飛船,保持從空間站最快傳回紀錄的也是“聯盟号”,它能在脫離國際空間站之後,用大約3.5小時時間傳回地面,差不多繞地球飛兩圈。

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停泊在國際空間站的俄羅斯飛船

我們來看看“聯盟号”飛船在離開國際空間站之後都做了些什麼:

在大約預定着陸時間前3.5小時,飛船打開與空間站的對接機構,對接端口中的彈簧推動器将飛船以0.12米/秒的相對速度推離空間站,傳回艙裡的宇航員通過攝像頭密切監視飛船姿态,確定飛船穩定脫離,不與空間站發生磕碰。

3分鐘後,飛船離開空間站20~30米,“聯盟号”開啟DPO-B姿态控制發動機進行8秒鐘的噴氣,以0.4~0.5米/秒的速度進一步離開空間站;1分鐘後再次開啟DPO-B進行15秒的軌道機動,保證飛船在繞地球一周後不會與空間站會合。

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聯盟飛船傳回過程

利用之後兩個半小時的“單飛”時間,宇航員和地面控制中心會再次檢查飛船各系統狀态和飛行參數,對軌道進行微調,将推進艙噴口朝向前方,以確定飛船能按照計算結果降落到預選區域。一旦飛船開始點火制動,就沒有回頭的可能。

倒數53分29秒,推進艙發動機點火,飛船開始減速制動,這時候距離預定着陸場還有半圈,飛船開始下降高度。

與大多數人想象的不同,飛船制動發動機點火時長僅4分40秒,飛船的速度隻變慢了0.12公裡/秒,宇航員幾乎不會感覺到飛船正在減速。但即便是這麼小的速度變化,重力作用也會使飛船在22分鐘内下落270公裡。雖然水準方向的速度減慢,但垂直方向的自由落體會使飛船加速向下“俯沖”,飛船的合速度達到7.6公裡/秒。

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進入大氣層前傳回艙與推進艙分離

在大約100公裡高度,飛船傳回艙開始進入稠密的大氣層,這時候飛船處于無動力下降階段。但是這不代表飛船不受控制——由于科學家的精妙設計,飛船會自動将它最耐熱的底部朝向前方飛行。

細心的你肯定注意到:中國、俄羅斯和美國的飛船全做成一頭大小,并且無一例外都是大頭朝前飛行,與火箭的尖頭朝前是相反的。這是為什麼呢?

飛船從大氣層外傳回,它主要靠空氣的阻力而不是消耗燃料來為自己減速,大頭朝前能夠提供更大的空氣阻力,好将飛船從7.6公裡/秒的高速度降到0.2公裡/秒,之後再打開降落傘才不會發生危險。引導傘、減速傘和降落傘将在大約10公裡高度依次打開。

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飛船重心決定了傳回時的姿态

當飛船下降到100公裡高度的大氣層,空氣開始變得稠密起來。越來越多的氣體粒子撞擊飛船表面,阻礙飛船前進,這使得飛船産生了一個向後的拖曳力——也就是空氣阻力。但飛船包括裡邊的航天員因為速度很快、動能很大,是以航天員會感覺到越來越強的過載,強大的壓力使得人喘不過氣來。

與此同時,空氣粒子撞擊飛船會産生熱,飛船表面溫度升高到約1480℃,沒有幾種金屬能在如此高溫度下還能保持強度。為了保證飛船不在傳回過程中焚毀破碎,科學家在飛船底部加了一層又厚又堅固的隔熱罩(俗稱“防熱大底”),隔熱罩的表面覆寫着燒蝕材料,它能在高溫下燃燒、蒸發、将熱量帶走,進而保護飛船不被燒化。

與“聯盟号”傳回過程相同,當神舟飛船傳回時,我們能看到天空出現一顆閃亮的“流星”,但你不需要為航天員擔心,因為燃燒的主要是防熱大底和飛船表面的隔熱材料,飛船内部隻是稍稍有一點升溫。

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聯盟飛船傳回時舷窗外的火光

我們再回到開頭的問題:神舟飛船傳回還能更快些嗎?

實際上,如果從飛船開啟發動機開始制動這個關鍵節點開始計算,神舟十二号的傳回過程大約是49分鐘,神舟十三号差不多也是這麼長時間,比“聯盟号”飛船快4分鐘。如果想要更快速下降,就要采用更“陡峭”的再入角,這将帶來三個緻命問題:

一、飛船再入的初速度很高,大角度進入大氣層會導緻飛船表面升溫過快、溫度過高,這将超出飛船防熱層的承受極限,使飛船燒毀。

二、“聯盟号”飛船進入大氣層時的再入角度為1.35°角,它幾乎是以水準飛行狀态進入大氣層的,飛船底部也會因為重心偏移而産生升力,這一切都是為了保證足夠的減速時間。減速過快會破壞飛船結構,使飛船在高過載下散架。

三、盡管受過嚴格訓練的航天員能承受高達9個g的極端過載,但在太空工作生活半年之後,航天員的肌肉功能減退、骨質丢失,抗過載能力下降,太高的過載是要命的。是以飛船傳回過程的設計最大過載通常在4個g左右。

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神舟十三号航天員乘組

總而言之,神舟十三号飛船的快速傳回程式是相對于之前而言,無論是脫離空間站之後8.3小時,還是啟動傳回程式之後4小時傳回,在神舟飛船系列裡都是最快的。

以後能不能做到比“聯盟号”的3.5小時更快?我相信熟能生巧,将來神舟飛船在3小時甚至繞地球一周後(1.5小時)順利傳回都可以期待。但是從啟動反推發動機制動到49分鐘後落地,神舟飛船已經做到了最快,并且這個時間很難被壓縮。出于安全考慮,飛船的傳回時間也不會再被壓縮。

#太空出差三人組回家#

#神十三傳回 航天員會經曆怎樣的過程#

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